低成本復(fù)合材料在小型飛艇吊艙上的應(yīng)用

朱強(qiáng)，李元章，李云仲，宋安民

（中國(guó)特種飛行器研究所，湖北 荊門，448035）

飛艇由艇體結(jié)構(gòu)、壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)、動(dòng)力燃油系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)和地面保障設(shè)備等組成。艇體結(jié)構(gòu)主要包括氣囊、副氣囊、頭錐、吊艙、起落架和尾翼。吊艙是飛艇的重要部件，為飛艇的任務(wù)設(shè)備、起落架和動(dòng)力燃油裝置提供搭載平臺(tái)。

吊艙設(shè)計(jì)需在保證強(qiáng)度、剛度的要求下，質(zhì)量盡量輕，以增加有效任務(wù)載荷或減小氣囊體積。復(fù)合材料具有較高的比強(qiáng)度、比模量，優(yōu)異的抗疲勞性以及耐腐蝕極強(qiáng)的可設(shè)計(jì)性等特點(diǎn)[1—2]，可以有效減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，但高成本制約了復(fù)合材料的應(yīng)用[3]。因此，開展低成本復(fù)合材料在飛艇吊艙上的應(yīng)用技術(shù)研究是十分必要的。

1 材料選型

1.1 材料選擇的一般要求

根據(jù)國(guó)內(nèi)外復(fù)合材料性能和飛艇使用環(huán)境，依據(jù)艇體總體技術(shù)要求和用戶要求選用材料。同時(shí)，還需考慮模具制造、成形工藝和修補(bǔ)技術(shù)，選擇性價(jià)比高的材料。

1.2 材料選擇結(jié)論

吊艙需承受搭載設(shè)備的自重和過(guò)載、發(fā)動(dòng)機(jī)推力以及起落架沖擊載荷，故主材選用玻璃纖維，同時(shí)添加碳纖維做混雜設(shè)計(jì)以改善玻璃纖維的剛度和壓縮強(qiáng)度[4]。根據(jù)復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，選用E玻璃/環(huán)氧復(fù)合材料結(jié)構(gòu)[5]，該結(jié)構(gòu)具有良好的電絕緣性和機(jī)械性能，價(jià)格低廉。碳纖維選用性價(jià)比高的臺(tái)麗3K經(jīng)緯布。

吊艙外形設(shè)計(jì)成開敞結(jié)構(gòu)，便于脫模，模具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。成形工藝選擇手糊成形，常溫固化。外場(chǎng)修補(bǔ)采用復(fù)合材料補(bǔ)片膠結(jié)修理方法，具有比剛度、比強(qiáng)度高，疲勞性能和耐腐蝕性能好；具有可設(shè)計(jì)性，成形方便；補(bǔ)片修理后結(jié)構(gòu)表面可保持較好的氣動(dòng)外形；不會(huì)造成新的損傷及應(yīng)力集中；修理時(shí)間短和修理成本低等優(yōu)點(diǎn)[6—12]。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需考慮吊艙外形要求、強(qiáng)度要求、接口關(guān)系、設(shè)備布置、五性要求等。為了獲取最大的結(jié)構(gòu)效率，提高復(fù)合材料層合板的穩(wěn)定性，減輕質(zhì)量，采取加筋結(jié)構(gòu)[2]，碳纖維作為主承力件預(yù)埋到加筋結(jié)構(gòu)中。通過(guò)加強(qiáng)筋組成的內(nèi)部骨架承力，加強(qiáng)筋的布置根據(jù)吊艙內(nèi)部傳力路線確定，以維持吊艙的強(qiáng)度和剛度。吊艙上緣為開敞結(jié)構(gòu)便于脫模，附近布置6個(gè)點(diǎn)和氣囊通過(guò)快卸接頭連接。發(fā)動(dòng)機(jī)涵道轉(zhuǎn)軸布置在吊艙的后下部，使涵道離氣囊和地面達(dá)到合適的距離。油箱和蓄電池布置在前部，與動(dòng)力裝置質(zhì)量平衡，油箱底面高于發(fā)動(dòng)機(jī)保證供油壓力。在蓄電池一側(cè)吊艙殼體上開維護(hù)艙門，艙門四周結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)。起落架布置在吊艙底部靠后，為前三點(diǎn)單起，與吊艙連接處設(shè)置加強(qiáng)筋。吊艙結(jié)構(gòu)和設(shè)備布置如圖1所示。

3 鋪層設(shè)計(jì)

鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則一般分三個(gè)方面[4]：鋪層設(shè)計(jì)的一般原則；強(qiáng)度、剛度設(shè)計(jì)原則；混雜復(fù)合材料選用原則。

同時(shí)，考慮到筋條的0°，±45°，90°最佳鋪層比例為40%，40%，20%[13—14]，玻璃纖維的鋪層順序?yàn)閇45/0/90/0/-45]，碳纖維的鋪層順序?yàn)閇45/0/90/0/-45/-45/0/90/0/45]。加強(qiáng)筋鋪層結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 復(fù)合材料吊艙結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of pod made of composite material

圖2 加強(qiáng)筋鋪層結(jié)構(gòu)Fig.2 The reinforcing rib lay-out structure

發(fā)動(dòng)機(jī)涵道轉(zhuǎn)軸處吊艙受發(fā)動(dòng)機(jī)重力、過(guò)載和發(fā)動(dòng)機(jī)推力等作用，局部受力復(fù)雜需加強(qiáng)，通過(guò)預(yù)埋尼龍塊增加局部接觸面積，并達(dá)到吸振的目的。尼龍塊的預(yù)埋結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 預(yù)埋結(jié)構(gòu)Fig.3 Embedded structure

4 強(qiáng)度校核

對(duì)吊艙殼體和加強(qiáng)筋骨架用Patran有限元軟件建立其數(shù)學(xué)力學(xué)模型，分析其應(yīng)力、應(yīng)變分布情況。

建立吊艙的有限元模型，約束6個(gè)吊掛接頭點(diǎn)，在發(fā)動(dòng)機(jī)涵道轉(zhuǎn)軸處施加發(fā)動(dòng)機(jī)推力，油箱處施加3倍向下過(guò)載，有限元模型如圖4所示。

圖4 有限元模型Fig.4 the finite element model

采用MSC.Nastran求解，吊艙外殼應(yīng)變和加強(qiáng)筋應(yīng)變?nèi)鐖D5、圖6所示。

圖5 吊艙外殼應(yīng)變Fig.5 Strain diagram of the pod shell

圖6 加強(qiáng)筋應(yīng)變Fig.6 Strain diagram of reinforcing ribs

根據(jù)有限元分析結(jié)果，吊艙外殼和加強(qiáng)筋最大應(yīng)變均出現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)涵道轉(zhuǎn)軸附近，吊艙外殼最大應(yīng)變?yōu)?.21×10-5，加強(qiáng)筋最大應(yīng)變?yōu)?.03×10-4，滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

5 應(yīng)用效果

吊艙制造完成，與電器設(shè)備、動(dòng)力裝置、起落架、氣囊裝配后進(jìn)行了外場(chǎng)試驗(yàn)，已成功應(yīng)用在某測(cè)繪飛艇上，工作正常，飛艇吊艙實(shí)物和工作狀態(tài)如圖7所示。

傳統(tǒng)吊艙為鋁合金桁架外加整流罩的結(jié)構(gòu)形式。鋁合金桁架為承力結(jié)構(gòu)，由鋁型材和接頭通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)件連接，整流罩起維形和防雨的功能，傳統(tǒng)吊艙結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖7 飛艇吊艙實(shí)物和工作狀態(tài)Fig.7 Physical image and working state of airship pod

圖8 傳統(tǒng)吊艙結(jié)構(gòu)Fig.8 Structure of traditional pod

相比傳統(tǒng)吊艙，低成本復(fù)合材料吊艙的成本相當(dāng)，并具有以下優(yōu)勢(shì)：接頭和標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)量大幅減少，質(zhì)量減輕約40%，同體積氣囊可搭載更多的任務(wù)設(shè)備和燃料[15]；外形更美觀，氣動(dòng)阻力減少；接頭數(shù)量減少使裝配強(qiáng)度降低。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)開展低成本復(fù)合材料飛艇吊艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)研究，綜合考慮低成本復(fù)合材料的力學(xué)性能和工藝要求，結(jié)合國(guó)內(nèi)、外飛艇吊艙設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和復(fù)合材料鋪層設(shè)計(jì)研究成果，從材料選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、鋪層設(shè)計(jì)、強(qiáng)度分析和試驗(yàn)試飛上實(shí)現(xiàn)了低成本復(fù)合材料在小型飛艇吊艙上的成功應(yīng)用。該研究成果可以在小型飛艇吊艙上得到工程應(yīng)用，也可以指導(dǎo)大中型飛艇吊艙的設(shè)計(jì)。

[1] 張?zhí)┓?，楊曉華，孫文勝，等.基于應(yīng)力等效方法的層合板剛度退化估算模型[J].裝備環(huán)境工程，2012，2（9）：85—89.ZHANG Tai-feng，YANG Xiao-hua，SUN Wen-Sheng，et al.Estimation Model of Laminated Board Stiffness Reduc-tion Based on Stress Equivalence Method[J].Equipment Environmental Engineering，2012，2（9）：85—89.

[2]陳躍良，劉旭.聚合物基復(fù)合材料老化性能研究進(jìn)展[J].裝備環(huán)境工程，2010，4（7）：49—56.CHEN Yue-liang，LIU Xu.Progress of Aging Performance Research of Polymer Matrix Composites[J].Equipment Environmental Engineering，2010，4（7）：49—56.

[3] 王寶忠.飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)第10冊(cè)[M].北京：航空工業(yè)出版社，2000.WANG Bao-zhong.Handbook of Aircraft Design in Tenth Volume[M].Beijing：Aviation Industry Press，2000.

[4] 王建華，周恒，付杰斌.教練機(jī)低成本復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用探索研究[J].教練機(jī)，2013（2）：25—30.WANG Jian-hua，ZHOU Heng，F(xiàn)U Jie-bin.Exploration and Research on Application of Low Cost Composite Structure on Trainer Aircraft[J].Trainer，2013（2）：25—30.

[5] 王彬.低成本復(fù)合材料公務(wù)機(jī)制造技術(shù)分析[J].航空制造技術(shù)，2013，6：58—61.WANG Bin.Analysis of Low Cost Composites Business Aircraft Manufacturing Technology[J].Aeronautical Manufacturing Technology，2013，6：58—61.

[6]RASTOGI N，SONI S R，DENNY J J.Analysis of Composite Patch Repaired MetallicStructures：An Overview[R]．AIAA-98-1883．

[7]POST N L，CAIN J，MCDONALD K J.Residual Strength Prediction of Composite Materials：Random Spectrum Loading[J].Engineering Fracture Mechanics，2008（75）：629—637.

[8] SABELKIN V，MALL S，HANSEN M A.Investigation into Cracked Aluminum Plate Repaired with Bonded Composite Patch[J].Composite Structures，2007（79）：55—66．

[9] HOSSEINI O H.Effects of Composite Patches on Fatigue Crack Propagation of Single-side Repaired Aluminum Panels[J].Composite Structures，2006（76）：243—251．

[10]WANG Q Y，SRIRAMAN M R，KAWAGOISHI N，et al．Fatigue Crack Growth of Bonded Composite Repairs in Giga Cycle Regime[J].International Journal of Fatigue，2006（28）：l197—1201.

[11]徐勝，任三元，魯國(guó)富.腐蝕損傷結(jié)構(gòu)復(fù)合材料修補(bǔ)構(gòu)型優(yōu)選試驗(yàn)研究[J].裝備環(huán)境工程，2011，4（8）：104—108.XU Sheng，REN San-yuan，LU Guo-fu.Experimental Research of Shape Selection of Composite Patch for Corroded Structure[J].Equipment Environmental Engineering，2011，4（8）：104—108.

[12]張玎，楊曉華，匡林.復(fù)合材料補(bǔ)片膠接修補(bǔ)剝蝕金屬結(jié)構(gòu)技術(shù)研究[J].裝備環(huán)境工程，2010，6（7）：204—207.ZHANG Ding，YANG Xiao-hua，KUANG Lin.Study of Composite Patch Glued JointRepairTechnology for Exfoliation Corrosion of Metallic Structure[J].Equipment Environmental Engineering，2010，6（7）：204—207.

[13]鄧凡臣，柴亞南，林國(guó)偉，等.復(fù)合材料加筋單元初始分層損傷參數(shù)影響分析[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2012，12（5）：1020—1024.DENG Fan-chen，CHAI Ya-nan，LIN Guo-wei，et al.Analysis of the Damage Parameters Impact of Reinforced Composite Materials Initial Delamination[J].Science Technology and Engineering，2012，12（5）：1020—1024.

[14]盧秉賀，李萍.基于Hypersizer的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)鋪層設(shè)計(jì)和鋪層過(guò)渡設(shè)計(jì)[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2011，11（22）：5482—5485.LU Bing-he，LI Ping.Stacking Design and Stacking Transition Design of Composite Structure Based on Hypersizer[J].Science Technology and Engineering，2011，11（22）：5482—5485.

[15]單杭英，楊忠清，孫中濤，等.飛艇吊艙的綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].玻璃鋼/復(fù)合材料，2013（1）：60—64.SHAN Hang-ying，YANG Zhong-qing，SUN Zhong-tao，et al.Synthetic Optimum Design of Airship Pod[J].Fber Reinforced Plastics/Composites，2013（1）：60—64.